記者4月14日從中科院精密測量院了解到，該院研究團(tuán)隊(duì)成功研制不確定度達(dá)3×10-18的鈣離子光頻標(biāo)，即105億年偏差不到1秒，使我國擁有了國際上第五種不確定度指標(biāo)達(dá)到10-18量級的光頻標(biāo)。相關(guān)成果近日在《應(yīng)用物理評論》上發(fā)表。
當(dāng)前世界測量精度最高的物理量是光頻，最高精度已達(dá)10-18量級。其中原子光頻標(biāo)是光頻精密測量的典型代表，是目前準(zhǔn)確度最高的原子頻標(biāo)。截止目前，國際上僅有鍶原子光頻標(biāo)(美國天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室JILA、日本東京大學(xué))、鐿原子光頻標(biāo)(美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST)、鋁離子光頻標(biāo)(NIST)、以及鐿離子光頻標(biāo)(德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院PTB)等四種原子光頻標(biāo)的不確定度達(dá)到了10-18量級。
中科院精密測量院高克林研究團(tuán)隊(duì)解決了黑體輻射頻移、多普勒頻移、微運(yùn)動效應(yīng)、電四極頻移等影響鈣離子光頻標(biāo)不確定度的關(guān)鍵物理問題與技術(shù)難題。其中，研究人員將離子阱置于液氮低溫環(huán)境中(78 開爾文)，液氮容器采用導(dǎo)熱性良好的無氧銅材料，以及在液氮容器與真空腔間加入頂針等設(shè)計(jì)，極大地降低了離子阱在豎直與水平方向上的移動。
同時，通過兩束相向的鐘躍遷探測激光間的頻率比對，精確評估了由離子阱微小移動造成的一階多普勒頻移，通過微運(yùn)動三維邊帶譜的方法每天對離子微運(yùn)動進(jìn)行優(yōu)化與評估，以降低液氮容積變化對離子阱內(nèi)剩余電場的影響。此外，還通過設(shè)置特定的主磁場方向以降低液氮容積變化對鐘躍遷電四極頻移的影響等，最終在國際上首次實(shí)現(xiàn)了液氮低溫鈣離子光頻標(biāo)，不確定度達(dá)到3×10-18。
據(jù)介紹，高克林團(tuán)隊(duì)從2000年開展鈣離子光頻標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究，通過解決抑制離子運(yùn)動效應(yīng)、解決超窄線寬激光、實(shí)驗(yàn)環(huán)境影響精確控制等一系列關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，于2011年成功研制國內(nèi)首臺光頻標(biāo)，不確定度為7.8×10-16，通過改進(jìn)鐘躍遷激光性能、采用魔幻囚禁場抑制微運(yùn)動效應(yīng)，2016年將光頻標(biāo)的不確定度提升至5.1×10-17，通過實(shí)驗(yàn)上精確測量魔幻囚禁場頻率，獲得的鐘躍遷靜態(tài)極化率之差，2019年將鈣離子光頻標(biāo)的不確定度提升至1.3×10-17。
相關(guān)科研人員表示，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，光頻標(biāo)極低的不確定度有助于提高基本物理量定義、基本物理常數(shù)測量和基本物理定律檢驗(yàn)等的精度，以及推進(jìn)新物理的發(fā)現(xiàn)。在應(yīng)用研究領(lǐng)域，在時間基準(zhǔn)、相對論大地測量、導(dǎo)航定位等方面具有廣泛的應(yīng)用場景。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.034041
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